張德俊,李文迪,林蜀云,吉 旭,張?zhí)A,徐衛(wèi)平※
(1.貴州師范大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院,貴州 貴陽550001;2.貴州省山地農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所)
由于地形原因(特別是貴州喀斯特地區(qū)),一些地區(qū)農(nóng)田分散,大型插秧機(jī)和其他農(nóng)業(yè)機(jī)械的普及受到限制,且山區(qū)水稻種植以梯田及零散種植居多[1],該地區(qū)的現(xiàn)行水稻栽培方式還是以地膜水育秧、人工手插為主,生產(chǎn)成本高,勞動(dòng)強(qiáng)度大,作業(yè)條件艱苦且效率低下[2],使高產(chǎn)水稻作物難以發(fā)揮其潛力。針對(duì)小型田間秧苗的插秧工作,徐高飛等[3]設(shè)計(jì)了手扶便攜式插秧機(jī),此款插秧機(jī)為人力驅(qū)動(dòng),但工作效率相對(duì)較低;邵陸壽等[4]設(shè)計(jì)了半機(jī)動(dòng)插秧機(jī),采用人力牽引的組合式秧箱,但此款插秧機(jī)操作不便;鄭銀河等[5]設(shè)計(jì)了2 行手扶式機(jī)動(dòng)水稻插秧機(jī),該機(jī)器配備單缸小型汽油機(jī),但此款插秧機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)易進(jìn)水,過水渠時(shí)可能損壞發(fā)動(dòng)機(jī),同時(shí)該插秧機(jī)價(jià)格昂貴且對(duì)環(huán)境有污染。針對(duì)目前貴州秧苗的栽植現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)了一臺(tái)小型機(jī)械式插秧機(jī),旨在為滿足貴州小型田間秧苗的栽植提供便利。此款可分離小型機(jī)械式插秧機(jī)適用于貴州小型田間秧苗的栽植,具有靈活輕便的特點(diǎn),彌補(bǔ)了市面上對(duì)小型插秧機(jī)的缺口。
該插秧機(jī)主要由鏈輪傳動(dòng)、自行車、秧盤、秧塊、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、錐齒輪傳動(dòng)、秧盤前檔盤、曲柄插秧機(jī)構(gòu)等組成。整體結(jié)構(gòu)如圖1,插秧機(jī)背部傳動(dòng)如圖2。
此插秧技術(shù)可用于小型機(jī)械式插秧機(jī)的設(shè)計(jì)中,以期為小型插秧機(jī)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)提供借鑒和參考。
根據(jù)貴州種植習(xí)慣及秧苗的農(nóng)藝規(guī)范,采用穗粒兼?zhèn)涞闹卸捚贩N缽形毯狀苗[6-7],機(jī)械移栽所用苗為中小苗,苗齡為15~20 天,苗高為12~17 cm,秧塊標(biāo)準(zhǔn)大小分別為58 cm、28 cm 和2 cm[8-9],種植程序按農(nóng)藝規(guī)范執(zhí)行,種植方式為插播、四行單株?;谇瑝K機(jī)構(gòu)及自行車驅(qū)動(dòng)的秧苗栽植方式設(shè)計(jì)了此插秧機(jī),通過研究該栽植方式的關(guān)鍵技術(shù),以期解決當(dāng)前針對(duì)貴州小型田間秧苗栽植面臨的機(jī)械化困難。
工作時(shí),插秧機(jī)在田間行走,踩動(dòng)自行車踏板驅(qū)動(dòng)插秧機(jī)工作,傳動(dòng)鏈將動(dòng)力傳遞給插秧曲柄軸,曲柄通過連桿帶動(dòng)秧爪完成分秧及插秧動(dòng)作。在一個(gè)工作循環(huán)中,秧爪下行至秧盤,完成分秧動(dòng)作;秧爪夾持秧苗繼續(xù)下行,將秧苗插入田間;傳動(dòng)鏈將動(dòng)力傳遞給錐齒輪軸,錐齒輪軸帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將秧盤橫移一個(gè)步距,將下一株秧苗移至分秧工位;秧爪進(jìn)入回程階段,秧爪上移返回工作循環(huán)的起始位置[10-11]。
秧箱是插秧機(jī)的重要部件,擔(dān)負(fù)著定時(shí)、定量、均勻送秧的工作[12-14]。目前移箱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有三種形式:一是齒條式;二是螺旋軸式[15];三是鏈?zhǔn)?。此款插秧機(jī)采用人力踩動(dòng)自行車踏板驅(qū)動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)秧盤的移動(dòng),分析橫向送秧驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理,建立曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。
曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的位置關(guān)系式:
式中Q1=2a;Q2=2ae;Q3=a2-b2+e2。
通過三組兩連桿的對(duì)應(yīng)角位置:φ1=22.51°,s1=179.91 mm;φ2=127.44°,s2=30.09 mm;φ3=176.87°,s3=39.91 mm。運(yùn)用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的位置關(guān)系式設(shè)計(jì)出一組參數(shù),a=79.091 mm,b=125.226 mm,e=-35.034 mm。則a桿取79 mm,b桿取125 mm,偏心距e取35 mm,通過設(shè)計(jì)得出運(yùn)動(dòng)分析曲線如圖3,由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)的位置曲線可知該機(jī)構(gòu)為往復(fù)運(yùn)動(dòng);從對(duì)應(yīng)的速度曲線可知機(jī)構(gòu)的速度呈正弦變化趨勢(shì);由加速度曲線可知此機(jī)構(gòu)加速度部分呈余弦變化。
通過設(shè)計(jì)結(jié)果得出的運(yùn)動(dòng)分析曲線(圖3)可知:驅(qū)動(dòng)秧盤移動(dòng)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)能夠進(jìn)行正常穩(wěn)定的循環(huán)往復(fù)工作,曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的工作行程達(dá)到秧苗輸送的要求,設(shè)計(jì)結(jié)果滿足誤差要求。通過計(jì)算結(jié)果,設(shè)計(jì)出曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的3D 模型如圖4。
基于現(xiàn)有的輪椅三輪車進(jìn)行設(shè)計(jì),重新設(shè)計(jì)車身的輪子,以適應(yīng)田間插秧工作,為防止自行車在田間打滑,輪子整周采用開槽處理。由于車架后部寬度過小,不適合插秧機(jī)的搭載工作,所以也需重新設(shè)計(jì)。將車架后部切掉,加寬車架后部的寬度,并增加加強(qiáng)筋,以增加車架的強(qiáng)度,同時(shí)也可用來搭載插秧機(jī)組件。考慮到田間工作的環(huán)境影響,車架作烤漆處理,防止車架由于生銹,影響插秧機(jī)的使用壽命。
鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì):自行車速度v=3.016 m/s,踏板軸轉(zhuǎn)速n=10 r/min,功率P=0.18 kW,通過設(shè)計(jì)計(jì)算可得,小鏈輪齒數(shù)z1為44 齒,大鏈輪齒數(shù)z2為22 齒,鏈號(hào)為16A,鏈條節(jié)距p2為25.4,鏈長節(jié)數(shù)X為82,中心距a`為613.4 mm,鏈條定期人工潤滑。
自行車后輪軸的直徑按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度為
式中d—后輪軸直徑(mm);C 按[τ]定的系數(shù);P—后輪軸傳遞的功率(kW);n—后輪軸的轉(zhuǎn)速(r/min)。
此款插秧機(jī)后輪軸功率為0.18kW,轉(zhuǎn)速為20r/min,因?yàn)楹筝嗇S材料選用的是45 號(hào)鋼調(diào)質(zhì),因此C 為112.5,計(jì)算可得d=23.4 mm,考慮到鏈輪及輪子的周向定位需開一個(gè)鍵槽,將d加大3%后得d=24.1 mm,因此取后輪軸的最小直徑d=25 mm。
對(duì)自行車后輪軸強(qiáng)度進(jìn)行校核,軸受到秧盤組件向下的壓力,載荷分布如圖5。
根據(jù)秧盤組件的重量和插播方式在田間工作過程中阻力情況,計(jì)算出其集中力為F=962 N,分段彎扭矩如圖6、7。
運(yùn)用彎扭合成強(qiáng)度條件進(jìn)行校核,即
式中σ—軸計(jì)算截面上的工作應(yīng)力(MPa);d—軸直徑(mm);M—軸計(jì)算截面上的合成彎炬(N·mm);T—軸計(jì)算截面上的轉(zhuǎn)矩(N·mm);α—根據(jù)轉(zhuǎn)應(yīng)力變化性質(zhì)定的校正系數(shù);σ-1—許用疲勞應(yīng)力(MPa)。
圖5 為載荷分布示意,圖6 為彎矩圖,圖7 為扭矩圖,將轉(zhuǎn)應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)α=0.7 代入,求最大彎矩和最大扭矩值,得到軸直徑為19.4 mm,故所取直徑滿足強(qiáng)度要求。
插秧機(jī)屬于非道路車輛,其在水田工作過程中易受到路面條件差引起的沖擊載荷,在載荷沖擊下車架易變形[16]。而車架是車輛的裝配和承載基體,支承連接著車輛的各總成部件,承受著來自車身及插秧機(jī)組件的各種載荷,它的好壞直接關(guān)系到車輛的操控、安全、舒適等性能[17]。此外,車架也是插秧機(jī)中保證插秧正常工作的關(guān)鍵部件,承擔(dān)著動(dòng)力傳遞及插秧機(jī)的搭載,搭載插秧機(jī)組件時(shí),易造成車架彎曲變形。為了解決這些問題,對(duì)車架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),車架長1356mm、寬359mm、高606 mm。車架主要受秧盤等組件的壓力,平均壓力為350 N。
對(duì)圖8 的車架進(jìn)行簡化,忽略焊接對(duì)機(jī)架結(jié)構(gòu)的影響,將圓角、倒角簡化為直角,選取材料、添加載荷和約束后,車架特點(diǎn)采取組合網(wǎng)格劃分,劃分時(shí)統(tǒng)一采用SOLID 20 單元,可以忽略考慮不同單元間單元耦合問題,車架有限元模型如圖9。
查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知,碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235 的屈服強(qiáng)度為235 MPa,抗拉強(qiáng)度為370~500 MPa,強(qiáng)度安全系數(shù)取1.2~3,該鋼的許用應(yīng)力范圍為78.33~195.83 MPa。車架受到功能約束及空間尺寸的限制,車架結(jié)構(gòu)直徑較小,插秧機(jī)組件受向下的載荷,因此車架出現(xiàn)了彎曲變形,如圖10。最大變形值為0.375 mm,變形量微小,不會(huì)影響插秧精度,變形量可忽略不計(jì),車架剛度參數(shù)合格,滿足設(shè)計(jì)誤差要求。車架的后部出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中,如圖11。該處應(yīng)力值為21.25MPa,按照規(guī)定彎曲狀態(tài)屈服強(qiáng)度校核為靜態(tài)計(jì)算應(yīng)力乘以1.5 倍動(dòng)荷系數(shù),再乘以2 倍安全系數(shù)得出的值為63.75 MPa,該值遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度,因此車架在工作條件下強(qiáng)度合格。
對(duì)插秧機(jī)進(jìn)行仿真分析,以驗(yàn)證插秧機(jī)工作的可行性。在SolidWorks 中建立三維模型后,對(duì)模型進(jìn)行簡化,然后導(dǎo)入至Adams2017 中,進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
通過秧爪軌跡曲線(圖12),可知秧苗插入深度為1.2 cm,滿足秧苗栽植深度要求。
通過分析生成的秧盤運(yùn)動(dòng)位置曲線與插秧軸轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線(圖13),可知曲線呈規(guī)律變化,運(yùn)動(dòng)過程平緩,插秧軸轉(zhuǎn)過一定的角度,秧盤相應(yīng)移動(dòng)一定的距離,秧盤的秧苗移動(dòng)到插秧口,秧爪剛好運(yùn)動(dòng)到插秧口,秧爪帶動(dòng)秧苗繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng),把秧苗插入田間,該裝置可滿足插秧工作要求。
(1)此裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)秧盤移動(dòng)與自行車驅(qū)動(dòng)插秧機(jī)工作,此插秧機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、適用性強(qiáng)及多功能集成等優(yōu)點(diǎn)。
(2)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的連桿1 為79 mm、連桿2 為125 mm,偏心距e為35 mm。該插秧機(jī)株距為29 mm、行距為13.96 mm 以及播深為1.2 cm,工作效率為0.175 hm2/h。